用户空间内核空间ipc总结(sockopt,ioctl,mmap,netlink,proc,seq,file,copy_user)

gaokeke123

用户空间内核空间ipc总结(sockopt,ioctl,mmap,netlink,proc,seq,file,copy_user)  

原作者：ubuntuer

多数的 Linux 内核态程序都需要和用户空间的进程交换数据，但 Linux 内核态无法对传统的 Linux 进程间同步和通信的方法提供足够的支持！本文就总结下常见的ipc,
getsockopt/setsockopt     mmap      netlink/socket      proc/seq   copy_from_user/copy_to_user  文件。采用先讲解后测试代码的方式,netlink和proc由于江哥和段兄都写的比较好了我就贴了链接...  好了不废话了开始
  
   一.getsockopt/setsockopt
      最近看ebtables源码,发现与内核的ipc是采用的getsockopt,  具体实现是在内核中用nf_register_sockopt函数注册一个nf_sockopt_ops的结构体，比如说：

• static struct nf_sockopt_ops nso = {
•      .pf  = PF_INET,       // 协议族
•      .set_optmin = 常数,    // 定义最小set命令字
•      .set_optmax = 常数+N,  // 定义最大set命令字
•      .set  = do_nso_set,   // 定义set处理函数
•      .get_optmin = 常数,    // 定义最小get命令字
•      .get_optmax = 常数+N,  // 定义最大get命令字
•      .get  = do_nso_get,   // 定义set处理函数
• };
  

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其中命令字不能与系统已有的命令字重复。set/get处理函数是直接由用户空间的set/getsockopt函数调用的。


从这个图里面可以看出来，这种方法的本质就是调用是copy_from_user()/copy_to_user()方法完成内核和用户通信的，这样其实效率不高，多用在传递控制选项信息，不适合用做大量数据的传输。copy_from_user()/copy_to_user()我讲在后面介绍...  当然对于linux任何都是文件那么我想应该也是可以定义自己的ioctl的,这个在后面的
copy_xx_user的块设备中讲解
  setsockopt/getsockopt  kernel部分代码:
  

•       static int recv_msg(struct sock *sk, int cmd, void *user, unsigned int len)
• {
•     int ret = 0;
•     printk(KERN_INFO "sockopt: recv_msg()/n");
•     /*
•     switch(cmd)
•     {
•     case IMP1_SET:
•     {
•         char umsg[64];
•         memset(umsg, 0, sizeof(char)*64);
•         copy_from_user(umsg, user, sizeof(char)*64);
•         printk("umsg: %s", umsg);
•     }
•     break;
•     }
•     */
•     if (cmd == SOCKET_OPS_SET)
•     {
•         char umsg[64];
•         int len = sizeof(char)*64;
•         memset(umsg, 0, len);
•         ret = copy_from_user(umsg, user, len);
•         printk("recv_msg: umsg = %s. ret = %d/n", umsg, ret);
•     }
•     return 0;
• }
• static int send_msg(struct sock *sk, int cmd, void *user, int *len)
• {
•     int ret = 0;
•     printk(KERN_INFO "sockopt: send_msg()/n");
•     if (cmd == SOCKET_OPS_GET)
•     {
•         ret = copy_to_user(user, KMSG, KMSG_LEN);
•         printk("send_msg: umsg = %s. ret = %d. success/n", KMSG, ret);   
•     }
•     return 0;
• }
• static struct nf_sockopt_ops test_sockops =
• {
•     .pf = PF_INET,
•     .set_optmin = SOCKET_OPS_SET,
•     .set_optmax = SOCKET_OPS_MAX,
•     .set = recv_msg,
•     .get_optmin = SOCKET_OPS_GET,
•     .get_optmax = SOCKET_OPS_MAX,
•     .get = send_msg,
• };
• 
  

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setsockopt/getsockopt  user部分代码:

• /*call function recv_msg()*/
•     ret = setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, SOCKET_OPS_SET, UMSG, UMSG_LEN);
•     printf("setsockopt: ret = %d. msg = %s/n", ret, UMSG);
•     len = sizeof(char)*64;
•     /*call function send_msg()*/
•     ret = getsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, SOCKET_OPS_GET, kmsg, &len);
•     printf("getsockopt: ret = %d. msg = %s/n", ret, kmsg);
•     if (ret != 0)
•     {
•         printf("getsockopt error: errno = %d, errstr = %s/n", errno, strerror(errno));
•     }
  

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二. mmap共享内存
  采用共享内存通信的一个显而易 见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而 共享内存则只拷贝两次数据[1]：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就 解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存 中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的.
kernel:

•    #include <linux/config.h>
• #include <linux/module.h>
• #include <linux/moduleparam.h>
• #include <linux/init.h>
• #include <linux/kernel.h>   /* printk() */
• #include <linux/slab.h>   /* kmalloc() */
• #include <linux/fs.h>       /* everything... */
• #include <linux/errno.h>    /* error codes */
• #include <linux/types.h>    /* size_t */
• #include <linux/mm.h>
• #include <linux/kdev_t.h>
• #include <asm/page.h>
• #include <linux/cdev.h>
• #include <linux/device.h>
• #include <linux/gfp.h>
• static unsigned char *myaddr=NULL;
• static int simple_major = 0;
• module_param(simple_major, int, 0);
• MODULE_LICENSE("GPL");
• MODULE_AUTHOR("Kenthy@163.com.");
• MODULE_DESCRIPTION("Kernel study and test.");
• /*
• * Common VMA ops.
• */
• void simple_vma_open(struct vm_area_struct *vma)
• {
•         printk(KERN_NOTICE "Simple VMA open, virt %lx, phys %lx/n",
•                         vma->vm_start, vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT);
• }
• void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma)
• {
•         printk(KERN_NOTICE "Simple VMA close./n");
• }
• struct page *simple_vma_nopage(struct vm_area_struct *vma,
•                 unsigned long address, int *type)
• {
•         struct page *pageptr;
•         unsigned long offset = (address - vma->vm_start);
•         if (offset>PAGE_SIZE*2)
•         {
•                 printk("out of size/n");
•                 return NULL;
•         }
•         printk("in vma_nopage: offset=%u/n", offset);
•         if(offset<PAGE_SIZE) // the first page
•                 pageptr=virt_to_page(myaddr);
•         else        // the second page
•                 pageptr=virt_to_page(myaddr+PAGE_SIZE);
•         get_page(pageptr);
•         return pageptr;
• }
• static struct vm_operations_struct simple_nopage_vm_ops = {
•         .open =   simple_vma_open,
•                 .close =  simple_vma_close,
•                 .nopage = simple_vma_nopage,
• };
• static int simple_open (struct inode *inode, struct file *filp)
• {
•         return 0;
• }
• static int simple_release(struct inode *inode, struct file *filp)
• {
•         return 0;
• }
• static int simple_nopage_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
• {
•         unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
•         printk("enter simple_nopage_mmap: offset=%u, vma->vm_pgoff=%u/n", offset, vma->vm_pgoff);
•         if (offset >= __pa(high_memory) || (filp->f_flags & O_SYNC))
•                 vma->vm_flags |= VM_IO;
•         vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
•         vma->vm_ops = &simple_nopage_vm_ops;
•         simple_vma_open(vma);
•         return 0;
• }
• /*
• * Set up the cdev structure for a device.
• */
• static void simple_setup_cdev(struct cdev *dev, int minor,
•                 struct file_operations *fops)
• {
•         int err, devno = MKDEV(simple_major, minor);
•         cdev_init(dev, fops);
•         dev->owner = THIS_MODULE;
•         dev->ops = fops;
•         err = cdev_add (dev, devno, 1);
•         /* Fail gracefully if need be */
•         if (err)
•                 printk (KERN_NOTICE "Error %d adding simple%d", err, minor);
• }
• static struct file_operations simple_nopage_ops = {
•         .owner   = THIS_MODULE,
•         .open    = simple_open,
•         .release = simple_release,
•         .mmap    = simple_nopage_mmap,
• };
• /*
• * We export two simple devices.  There's no need for us to maintain any
• * special housekeeping info, so we just deal with raw cdevs.
• */
• static struct cdev SimpleDevs;
• /*
• * Module housekeeping.
• */
• static int simple_init(void)
• {
•         int result;
•         //unsigned int addr1, addr2;
•         dev_t dev = MKDEV(simple_major, 0);
•         /* Figure out our device number. */
•         if (simple_major)
•                 result = register_chrdev_region(dev, 1, "simple_nopage");
•         else {
•                 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "simple_nopage");
•                 simple_major = MAJOR(dev);
•         }
•         if (result < 0) {
•                 printk(KERN_WARNING "simple_nopage: unable to get major %d/n", simple_major);
•                 return result;
•         }
•         if (simple_major == 0)
•                 simple_major = result;
•         /* Now set up two cdevs. */
•         simple_setup_cdev(&SimpleDevs, 0, &simple_nopage_ops);
•         myaddr = __get_free_pages(GFP_KERNEL, 1);
•         if (!myaddr)
•                 return -ENOMEM;
•         // for test
•         strcpy(myaddr, "1234567890");
•         strcpy(myaddr+PAGE_SIZE, "abcdefghij");
•         return 0;
• }
• static void simple_cleanup(void)
• {
•         cdev_del(&SimpleDevs);
•         unregister_chrdev_region(MKDEV(simple_major, 0), 1);
• }
• module_init(simple_init);
• module_exit(simple_cleanup);
• 
  

复制代码

user:

• #include </work/apue/ourhdr.h>
• #include <fcntl.h>
• #include <sys/mman.h>
• int main(int argc, char *argv[])
• {
•         int fdin, fdout;
•         void *src, *dst;
•         struct stat statbuf;
•         unsigned char sz[1024]={0};
•         if ((fdin = open("/dev/simple_nopage", O_RDONLY)) < 0)
•                 err_sys("can't open /dev/simple_nopage for reading");
•         if ((src = mmap(NULL, 4096*2, PROT_READ, MAP_SHARED,
•                                         fdin, 0)) == MAP_FAILED)
•                 err_sys("mmap error for simplen");
•         memcpy(sz, src, 11);
•         sz[10]='/0';
•         printf("%x/n", src);
•         printf("%s/n/n", sz);
•         memcpy(sz, src+4096, 11);
•         printf("%x/n", src+4096);
•         printf("%s/n", sz);
•         exit(0);
• }
  

复制代码

mmap加载文件后注意还要mknod